KR100373836B1 - 액정디스플레이액정배향막용측쇄형강유전성고분자액정 - Google Patents

액정디스플레이액정배향막용측쇄형강유전성고분자액정 Download PDF

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Abstract

하기의 구조식 (I)로 나타내어지는 측쇄형 강유전성 고분자액정은 기판에 대하여 매우 우수한 접착력을 가지고 내열성, 내습성, 내화학성 등의 내환경성이 우수하며 액정 배향특성이 양호하여 액정표시소자로서의 특성을 향상시킬 수 있어서 비틀린네마틱형, 초비틀린네마틱형 액정표시소자뿐만 아니라 균일한 배향제어가 어려운 표면안정화 강유전성 액정소자의 배향제로 사용하여 제조된 액정표시소자는 핀홀이나 기타 결함이 아주 적은 균일한 액정배향막을 형성하며 높은 프레틸트각뿐만 아니라 메모리 효과 및 콘트라스트비가 우수하다.
상기식에서 R1은 알킬옥시기이고 R2는 지방족 또는 방향족 바이사이클릭링, 그리고 R3는 알콕시기이며 p는 10 ∼ 150인 정수이다.

Description

액정디스플레이 액정배향막용 측쇄형 강유전성 고분자액정
[산업상 이용분야]
본 발명은 강유전성 고분자액정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 메모리 효과(optical memory) 및 콘트라스트비(contrast ratio)가 우수하여 비틀린네마틱형 액정디스플레이(Twisted Nematic Liquid Crystal Display: TN-LCD) 그리고 초비틀린네마틱형 액정디스플레이(Super Twisted Nematic Liquid Crystal Display: STN-LCD) 등의 일반적인 액정표시소자뿐만 아니라 액정의 균일한 배향제어가 어려운 표면안정화 강유전성 액정소자(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal Display: SSFLCD)의 액정 배향제로도 사용이 가능한 액정디스플레이 액정배향막용 측쇄형 강유전성 고분자액정에 관한 것이다.
[종래 기술]
현재 정보화 사회에 대응하는 액정디스플레이로는 초비틀린네마틱형 액정디스플레이와 박막 트랜지스터-비틀린네마틱형 액정디스플레이(Thin Film Transistor Twisted-Nematic Liquid Crystal Display: TFT-TN LCD)가 주류를 이루고 있으며, 최근에는 강유전성 액정디스플레이에 대한 연구가 활발히 진행되면서 차세대 액정디스플레이로 대두되고 있다.
이런 강유전성 액정디스플레이에 사용되는 강유전성 액정은 1974년 메이어(Meyer) 등에 의하여 최초로 이론적으로 예측되었다. 메이어는 특정 대칭요소를 갖는 액정이 강유전성을 갖는다는 연구 결과를 발표하였으며 이로 인하여 액정의 강유전성이 새로운 관심을 끌기 시작하였다. 그 후, 1980년에는 클라크(Clark)와 라저웰(Lagerwell)이 강유전성의 액정을 표면안정화(surfacestabilized)시킴으로써 빠른 응답 특성과 메모리 특성을 나타내는 액정표시소자를 제작할 수 있게 되었다. 그후로도 강유전성 액정디스플레이의 상품화 연구는 많은 진전을 가져왔으며 휴대용 단말기, 사무 자동화 기기, 워크스테이션, 벽걸이 TV 등 대용량, 고정세 디스플레이 분야에서 강유전성 액정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기와 같이 강유전성 액정디스플레이의 연구가 진행되는 가운데, 1984년 파텔(Patel) 등이 배향제의 특성과 배향 처리와의 관계를 고려하고 배향제로 여러 종류의 고분자를 사용하여 강유전성 액정을 배향시킨 결과 열가소성 고분자액정을 액정배향막에 사용하였을 때 열경화성 고분자액정을 사용할 때보다 강유전성 액정의 배향이 잘 된다는 사실을 알게 되었다.
한편, 액정표시소자를 제작함에 있어서 액정의 프레틸트각(pretilt angle)을 조절할 수 있는 배향제의 개발은 표시성능의 향상을 고려할 때에 절대적이다. 초비틀린네마틱 액정디스플레이의 경우 결함선 및 누선(cross-talk)을 방지하기 위하여 액정의 높은 프레틸트각이 요구되며, 박막 트랜지스터 비틀린네마틱 액정디스플레이의 경우 시야각 특성을 향상시키기 위해서 낮은 프레틸트각을 갖는 배향제와 높은 프레틸트각을 갖는 배향제를 혼합(hybride)하여 상ㆍ하 기판에 사용하기도 한다.(Journal of the SID, 2/1, 31, 1994)
일반적으로 액정 배향법으로는 무기물질에 의한 방법과 유기고분자 재료를 코팅하여 러빙처리하는 방법을 사용하고 있다. 이중에서도 양산공정에서는 제조공정상의 효율이나 액정배향 효율, 내환경성 등의 배향제가 갖추어야 할 요건을 고려하여 폴리이미드(polyimide)계 배향제를 주로 사용하고 있다.
그러나 폴리이미드계 배향제는 일반적으로 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 첫째 폴리이미드 전구체인 폴리아믹에시드(polyamic acid: PA)를 합성하기 위하여 고순도의 단량체 및 용매가 필요하므로 합성이 까다롭고 비용이 많이 든다. 둘째 배향제의 용매인 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone: NMP)이 흡습성이 강하고 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹에시드가 수분에 의해 분해되므로 개방계(open system)에서 오래 사용하거나 장기간 보관할 때에는 분자량 감소가 생겨 배향제의 물성이 변한다. 셋째 약 600 Å 정도의 박막을 형성할 경우 막의 균일성을 좋지 않게 한다. 넷째 폴리아믹에시드의 기판에 대한 접착성을 향상시키기 위하여 고분자 골격에 실록산기(siloxane group)를 도입하거나 액정과 배향막의 접촉각을 제어하기 위하여 금속착제를 첨가한 혼합계를 사용하므로 배향을 제어하기 어려워 액정과 배향제의 분자구조간에 발생하는 상호작용을 규명하기 어려워지므로 액정과 배향제를 효율적으로 선정하기 힘들어진다. 다섯째 경화온도나 배향조건 등 표시소자의 제작시에 조건이 변동하며 이에 따라 배향특성이 변화되는 문제점을 가지고 있다.
[본 발명이 해결하고자 하는 과제]
따라서 상기한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 목적은 첫째 합성이 까다롭고 값이 비싼 기존의 배향제에 비하여 공정 조건 및 단계가 간단하며 둘째 기존의 액정 배향제에는 결여되어 있는 내환경성, 균일한 박막 형성 능력, 기판에 대한 우수한 접착력을 갖는 액정배향제를 제공하는 것이다.
[본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단]
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하기의 구조식 (I)로 나타내어지는 측쇄형 강유전성 고분자액정을 제공한다.
상기식에서 R1은 알킬옥시기, R2는 지방족 또는 방향족 바이사이클릭링, 그리고 R3는 알콕시기(alkoxy group)이며 p는 10 ∼ 150인 정수이다.
상기한 R1은 지방족으로 (CH2)n또는 (CH2CH2O)n이며 n은 1 내지 10의 정수이며 상기 R2는 하기의 구조식 (II) 내지 (V)의 작용기로 이루어진 군에서 선택되는것이 바람직하다.
그리고 상기한 R3는 광학순수도(optical purity)를 가지며 비대칭중심(chiral center)을 갖는 알코올의 유도체인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 측쇄형 강유전성 고분자액정은 유기용매에 가용성인 것이 바람직하다.
그리고 측쇄형 강유전성 고분자액정을 액정배향막으로 사용한 액정표시소자를 제공하며 액정배향막은 상기 측쇄형 강유전성 고분자액정을THF(tetrahydrofurane) 또는 사이클로헥사논(cyclohexanons) 용매에 3 중량%로 녹인 후 500 ∼ 2000 Å박막으로 스핀 코팅(spin coating)하여 제조한다.
다음은 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예
패널 제조
액정디스플레이는 투명한 유리 기판의 한면에 투명전극(Indium Tin Oxide: ITO)과 액정분자의 배향층을 적층상태로 설치한 한 쌍의 전극기판, 간격을 유지하기 위한 스페이서(spacer), 두장의 기판을 접합하기 위한 접착제(sealant) 그리고 그 사이에 충진된 액정으로 이루어져 있다.
제조 공정을 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
투명전극이 코팅된 유리기판을 깨끗이 세정한 후 감광성 수지(photoresist resin)를 이용하여 투명전극을 패터닝하였다. 고분자 배향막을 코팅기(coating machine)로 코팅 한 후에 인조견사(rayon)가 감겨진 러빙장치로 러빙하였다. 이와 같이 만들어진 전극기판 주변부에 접착제를 스크린 인쇄한 후에 스페이서를 균일하게 도포하고 두장의 유리기판을 접합하여 핫 프레스(hot press)를 이용하여 가압, 가열하여 비어 있는 패널(void panel)을 만들고 액정 주입기를 이용해서 액정을 주입하여 액정디스플레이를 제조하였다.
배향막 형성
본 연구실에서 합성한 측쇄형 강유전성 고분자액정을 3 중량%의 사이클로헥사논 용액을 만든 후에 3000 rpm에서 독일 코노박(Conovac)사의 코팅기를 이용하여 약 500 Å ∼ 2000 ㎛의 두께로 이루어진 배향막을 형성하였으며 110 ℃에서 10분동안 안정화시켰다.
러빙
수평배향(homogeneous)시킬 경우 배향제만을 도포하는 것만으로는 액정 분자가 기판 표면에 대하여 평행하게 배향할 뿐이고 액정 분자를 일정하게 배열시킬 수는 없다. 따라서 배향막의 표면을 일정 방향으로 러빙하여 액정 분자를 러빙한 방향으로 배열시키는 작업이 필요하다. 러빙처리에 사용되는 천으로 인조견사를 사용하여 러빙기에 부착하여 러빙하였다. 사용된 러빙기는 자체 제작하였으며 러빙기의 속도는 600 rpm, 기판의 이동속도는 80 rpm이며 러빙깊이는 0.3 mm로 하였다.
기판 접합 및 셀겝(cell gap) 형성
액정디스플레이 제작시 투명전극이 코팅된 두장의 기판을 붙여 상, 하 기판으로 사용해야 한다. 한쪽 기판에는 기판의 주변부에 접착제(ES-5500, Mitsui)를 150 ㎛의 선폭으로 인쇄하여 80 ℃/15분 정도로 가열하여 용매를 제거하였다. 이 때 액정 주입을 위하여 5 ∼ 10 mm정도 남겨두고 사각모양으로 프린팅하였다. 또 다른 기판에는 1.5 ㎛의 구형 스페이서를 30 ∼ 50/mm정도로 도포시켰다. 그 후 두장의 기판을 접합하여 인쇄된 접착제가 경화되는 온도 및 압력으로 가압, 가열하여 액정 패널을 제작하였다. 셀겝을 1.5 ± 0.1 ㎛로 조절하는 것이 매우 어려우며 이를 위하여 핫 프레스는 내부 감압 및 외부 가압, 가열을 동시에 할 수 있도록 특수 제작하였다.
액정 주입, 배향 관찰 및 전기광학 특성 평가
일반 액정 주입과 달리 강유전성 액정의 등방성(isotropic)온도가 상온보다 높아서 액정 주입에 가열이 필요하므로 가열 장치가 부착된 액정 주입 장치를 제작하였다. 액정 주입은 패널을 주입 장치 내부에 매달아 액정 주입 구멍을 통하여 비어 있는 디스플레이 내부를 진공이 되도록 주입기 전체를 로터리 펌프로 감압하였다. 5 × 10-3Torr가 되면 바로 디퓨젼 펌프를 사용하여 1 × 10-2Torr이하로 감압하였다. 그 후 액정이 담겨 있는 용기에 액정디스플레이의 주입구가 닿도록 한 후 디스플레이 외부의 진공을 제거하고 가압하여 디스플레이 내부진공(1 × 10-2Torr이하)과 대기압과의 압력차이를 발생시켜서 액정을 디스플레이로 주입하였다. 사용된 액정은 일본 훽스트(Hoechst, Japan)사의 Felix-T250이었고, 등방성 온도가 85 ℃이므로 90 ℃에서 주입하였다.
강유전성 액정을 온도에 따라서 상전이할 경우에 등방상에서 강유전성 액정상(SmC*)까지 상전이 온도에서 불안정한 배향과 형상(morphology)을 형성하므로, 상전이 온도에서 액정들을 안정화시키기 위하여 0.5 ℃/분으로 서냉하였다. 특성 평가에 사용한 장치들은 강유전성 액정들의 배향상태를 관찰할 수 있는 장치를 설계하였다. 또한 러빙 전후의 표면상태를 관찰하기 위하여 AFM을 사용하였으며 셀겝은 UV로 측정하였다.
제1도 및 제2도는 측쇄형 강유전성 고분자액정을 배향막으로 사용한 강유전성 액정디스플레이의 메모리 특성 및 배향 특성을 나타내었다.
비교예
상품화된 폴리이미드계 배향제인 일산화학사의 SE-150은 6 중량%의 폴리아믹에시드 형태의 고형성분을 3 중량%로 희석시켜서 사용하였다. 260 ℃에서 30분간 경화하여 폴리이미드를 형성한 후에 러빙하여 액정디스플레이를 제작하는 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하였다.
제3도 및 제4도는 일산화학의 SE-150을 배향막에 사용한 경우의 메모리 특성 및 배향상태를 나타낸 것이다. 따라서 일산화학 SE-150에 비하여 본 발명에서 제시한 측쇄 강유전성 고분자액정과 배향 상태 및 전기광학특성을 비교하면 배향상태도가 매우 균일할 뿐만 아니라 콘트라스트비도 일산화학의 RN-715는 5 : 1 정도인 14 : 1로 매우 우수한 메모리 특성을 보여주고 있다.
[효과]
본 발명에서는 새로운 측쇄형 강유전성 고분자액정을 배향막으로 응용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
기존의 배향제보다 공정 조건이 매우 간단하며, 제2도에서와 같이 액정 배향특성이 우수하며 핀홀(pin hole)이나 기타 결함이 아주 적은 균일한 박막을 형성할 수 있어서 액정표시소자로서의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 제1도에서 보는 바와 같이 매우 우수한 메모리 특성을 가지고 있다.
본 발명에 의한 측쇄형 강유전성 고분자액정 배향제를 사용하여 스핀 코팅하였을 때에는 투명전극 기판위에 전혀 얼룩이 생기지 않고 코팅이 되었는지의 여부가 판단되지 않을 정도로 균일한 박막을 형성한다. 그리고 코팅후에 상온에 노출시킨 후에 다시 소자를 제작하여도 전혀 배향상태에는 영향을 미치지 않는다. 이와 같은 사실로 보아 본 발명의 측쇄형 강유전성 고분자액정은 기판에 대한 접착성이 우수하고 내열성, 내습성, 내화학성 등의 내환경성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
따라서 상기와 같은 본 발명에 의한 측쇄형 강유전성 고분자액정의 장점을 이용하여 비틀린네마틱 및 초비틀린네마틱 액정디스플레이뿐만 아니라 높은 프레틸트각을 요구하는 강유전성 액정디스플레이 및 액정의 균일한 배향제어가 어려운 표면안정화 강유전성 액정(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal: SSFLC)소자의 배향제로도 사용이 가능하다.
제1도는 본 발명의 실시예에 의하여 측쇄형 강유전성 고분자액정(Side Chain Ferroelectric Liquid Crystal Polymer: SCFLCP)을 이용하여 제작한 강유전성 액정디스플레이(Ferroelectric Liquid Crystal Display: FLCD)의 액정배향상태에서 펄스 높이 +20 V, 펄스폭 50 μs, 주파수 60 Hz인 전계하에서의 전기광학특성을 나타낸 그래프.
제2도는 본 발명의 실시예에 의하여 강유전성 고분자액정을 이용하여 제작한 강유전성 액정디스플레이의 전계안정화의 실시 전(A) 그리고 후(B)의 액정배향 상태를 나타낸 사진.
제3도는 본 발명의 비교예에 의하여 제작한 강유전성 액정디스플레이의 액정배향상태에서 펄스 높이 +20 V, 펄스폭 50 μs, 주파수 60 Hz인 전계하에서의 전기광학특성을 나타낸 그래프.
제4도는 본 발명의 비교예에서 제작한 강유전성 액정디스플레이의 액정배향상태를 나타낸 사진.

Claims (6)

  1. 하기의 구조식 (I)로 나타내어지는 측쇄형 강유전성 고분자 액정으로 이루어진 배향막.
    상기식에서 R1은 알킬옥시이기이고 R2는 하기 구조식 (III) 내지 (V)로 이루어진 군에서 선택되는 것이고, 그리고 R3는 알콕시기이며 p는 10∼150인 정수이다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 R1은 지방족으로(CH2O)n또는 (CH2CH2O)n이며 n은 1 내지 10의 정수인 배향막.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 R3는 광학순수도를 가지며 비대칭중심을 갖는 알코올의 유도체인 배향막.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 측쇄형 강유전성 고분자 액정은 테트라하이드로퓨란 또는 사이클로헥사논인 배향막.
  5. 제 1항의 측쇄형 강유전성 고분자액정로 이루어진 액정배향막을 사용한 액정 표시 소자.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 액정배향막은 상기 측쇄형 강유전성 고분자 액정을 테트라하이드로퓨란 또는 사이클로헥사논 용매에 3 중량%로 녹인 후 500∼2000Å박막으로 스핀 코팅한 액정 표시 소자.
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